DE2347307B2 - Mikrofonvorsatz für Schallmessungen in turbulenten Strömungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Mikrofonzusatz mit stoffbespanntem, geschlitztem Vorsatzrohr für Schallmessungen in turbulenten Strömungen und zur Erhöhung der Richtwirkung.

Bei Schallmessungen in bewegten Medien ist in das in der turbulenten Strömung befindliche Mikrofon nicht nur den zu messenden Schallwellen — Druckschwankungen ausgesetzt, sondern zusätzlich noch solchen Schwankungen, die von der Strömung am Mikrofon erzeugt werden. Letztere sind in diesem Zusammenhang als ein Störsignal anzusehen, dessen Wirkung möglichst klein gehalten werden muß. Das kann durch ein zylindrisches Vorsatzrohr mit schalldurchlässiger Wandung geschehen, das auf ein handelsübliches Mikrofon ausgesetzt wird. Die andere Seite ist mit einem strömungsgünstig geformten Stopfen verschlossen. Die Wirkungsweise eines derartigen Rohrvorsatzes besteht darin, daß die außerhalb des Rohres Vorhändenen Druckschwankungen an jeder Stelle der Rohrwand Elementarwellen im Innern hervorrufen, die sich nach beiden Seiten hin mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten. Nimmt man zur Vereinfachung der Erklärung an, daß die zum Rohranfang laufenden Wellen dort absorbiert werden, dann wird der Druck am Mikrofon nur durch die dorthin laufenden Elementarwellen bestimmt.

Bei ihrer dortigen Summation ist jedoch die jeweilige Laufzeit zu berücksichtigen.

Besteht nun das äußere Feld aus einer auf das Mikrofon zulaufenden Schallwelle (Nutzsignal), so haben die angeregten Elementarwellen — entsprechend der Wellenausbreitung außen — an jeder Stelle der Rohrwandung unterschiedliche Phasenlagen. Diese werden aber bei der Summation am Mikrofon durch die so unterschiedliche Laufzeit gerade wieder ausgeglichen, da die Ausbreitung innen ja auch lAs Schallwelle erfolgt. Alle Teilwellen addieren sich also gleichphasig.

Die turbulenten Druckschwankungen, das turbulente Störsignal, bewegen sich mit der Konvektionsgeschwin- « digkeit am Mikrofon vorbei, die in den hier interessierenden Fällen sehr viel kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit. Deshalb kann die unterschiedliche Phasenlage der an der Rohrwand angeregten Elementarwellen nun nicht mehr durch die unterschiedliche bo Laufzeit kompensiert werden. Die einzelnen Teilwellen »interferieren« bei der Summation am Mikrofon und ergeben eine um so geringere Wirkung je kleiner die zugehörige Wellenlänge, je größer also die Frequenz ist.

Wenn das gegebene äußere Druckfeld von Schallwel- h5 len bestimmt wird, die schräg auf das Mikrofon mit dem Vorsatzrohr zulaufen, dann wird die unterschiedliche Phasenlage der angeregten Elementarwellen ebenfalls nicht mehr kompensiert. Auch in diesem Fall ergibt die Summation am Mikrofon eine geringere Wirkung je nach Einfallswinkel und Frequenz. Damit ist die erhöhte Richtwirkung des Mikrofons mit dem Vorsatzrohr erklärt. Richtmikrofone dieser Art werden überall dort angewendet, wo das Signal einer Schallquelle (z. B. ein Sprecher) aus dem Geräusch seiner Umgebung (z. B. Menschenansammlung) hervorgehoben werden soll.

Die erwähnten Vorsätze bestehen dabei z. B. aus allseits perforierten Rohren, die mit Stolf umwickelt sind. Daneben sind Vorsatzrohre bekannt, die nur in einer axialen Linie perforiert sind.

Auch geschlitzte Vorsatzrohre wurden schon zur Erhöhung der Richtungsempfindlichkeit von Mikrofonen und zur Verminderung des turbulenten Störsignals vorgeschlagen und verwendet.

Wie erläutert, werden im Innern des Vorsatzrohres an jeder Stelle der Ruhrwand Elementarwellen angeregt, die sich nach beiden Seiten hin mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten. Für die Unterdrückung der turbulenten Druckschwankungen bzw. die Erhöhung der Richiwirkung sind nur die direkt von der Eintrittsstelle zum Mikrofon laufenden Wellen von Interesse. Die in der anderen Richtung laufenden Anteile und die an beiden Seiten reflektierten stören dagegen nur, da sie zusammen mit den an erster Stelle genannten ein stehendes Wellenfeld in dem Vorsatzrohr ergeben. Dadurch aber wird der Frequenzgang des akustischen Übertragungsmaßes wellig. Es sind Versuche bekanntgeworden, die zum Ziele haben, das stehende Wellenfeld zu vermeiden. Durch einen massiven Einsatzkörper in Form eines Rotationsparaboloids soll die Reflexion der auf die Spitze des Vorsatzrohres zulaufenden Elementarwellen reduziert werden. Spätere Messungen zeigten jedoch nur geringfügige Änderungen im Frequenzgang, wenn ein derartiger Einsatzkörper verwendet wurde.

Wegen der Schalldurchlässigkeit der Rohrwand werden die Wellen im Innern naturgemäß gedämpft. Macht man diese Dämpfung sehr groß, indem man einen kleinen Strömungswiderstand der Rohrwand wählt, dann lassen sich die stehenden Wellen im Rohr ebenfalls vermeiden. Diese Methode wirkt sich jedoch nachteilig auf die Unterdrückung der turbulenten Druckschwankungen bzw. die Erhöhung der Richtwirkung aus, da die an der Spitze des Rohres angeregten Elementarwellen bei Erreichen des Mikrofons eine sehr viel kleinere Amplitude haben, als die Wellen, die dicht am Mikrofon angeregt werden. Bei der Summation am Mikrofon dominieren die letztgenannten, und man erhält dasselbe Resultat wie bei einem kürzeren Vorsatzrohr. Diese Verkürzung der wirksamen Rohrlänge läßt diese Möglichkeit, einen glatten Frequenzgang des akustischen Übertragungsmaßes zu erzielen, als wenig sinnvoll erscheinen.

Durch die hier beschriebene Erfindung soll ein möglichst glatter Frequenzgang des akustischen Übertragungsmaßes erzielt werden, ohne die Funktion des Mikrofonvorsatzes hinsichtlich der Reduzierung der turbulenten Druckschwankungen und hinsichtlich der Erhöhung der Richtwirkung zu beeinträchtigen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch gekennzeichnet. In das Vorsatzrohr wird ein zweites Röhrchen eingebracht, das mit Dämpfungsmaterial gefüllt ist und etwa den halben Querschnitt des Vorsatzrohres ausfüllt. Es kann entweder an beiden Enden offen sein oder aber nur an der dem Mikrofon abgewandten Seite. Im ersten Fall können die auf beiden

Seiten des Vorsatzrohres reflektierten Elementarwellen in das Dämpfungsröhrchen eintreten und werden dort gedämpft. Im zweiten Fall trifft das nur für die Spitze reflektierten Wellen zu.

In beiden Fällen erfolgt die Dämpfung nach der Reflexion, daher bleiben die direkt von der Eintrittsstelle zum Mikrofon laufenden Elementarwellen unbeeinträchtigt. Die Wirkungsweise des Vorsatzes bezüglich der Unterdrückung der Turbulenten Druckschwankungen und bezüglich der Erhöhung der Richtwirkung bleiben demnach ungeändert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in A b b. 1 dargestellt, und zwar sowohl im Längsschnitt wie im Querschnitt. Als Meßmikrofon wird hier ein Kondensatormikrofon 1 mit 0,5" Durchmesser verwendet. Darauf aufgeschoben befindet sich eine kreiszylindrisches Vorsatzrohr 2 mit einem axialen Schlitz 3 von 400 mm Länge und 1 mm Breite, Vorn ist das Vorsatzrohr 2 mit einem slrömungsgünstig geformten Stopfen 4 verschlossen. Der Außendurchmesser des 3c-hlitzroiires beträgt 15 mm,seine Wandstärke ! mm. DerSchlitz3 ist mit einer Stoffabdeckung 5 versehen, deren akustischer Strömungswiderstand bei RIc = 1 liegt.

Das an beiden Enden offene Dämpfungsröhrchen 6 wurde auf die dem Schlitz 3 gegenüberliegende Rohrwand geklebt. Seine Länge beträgt 340 mm bei einem Außendurchmesser von 9 mm und einer Wand stärke von 0,5 mm. Als Dämpfungsmaterial wurde hier Wolle 7 verwendet, die den freien Querschnitt des Dämpfungsröhrchens 6 lose ausfüllt.

Durch das eingelegte Dämpfungsröhrchen 6 wird der Frequenzgang des akustischen Übertragungsmaßes glatter, die turbulenten Druckschwankungen werden in demselben Maße reduziert wie bei einem Mikrofonvorsatz ohne die zusätzliche Dämpfung. Ein Vergleich bezüglich der akustischen Empfindlichkeit ist in A b b. 2 für den in Abb. 1 dargestellten Schlitzrohr-Vorsatz wiedergegeben, wobei das Dämpfungsröhrchen 6 einmal vorhanden und im anderen Fall entfernt worden war. Im ersten Fall ist der Frequenzgang in einem breiten Bereich nahezu unabhängig von der Frequenz.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Fatentansprüche:

   I. Mikrofonzusatz mit stoffbespanntem, geschlitzem Vorsatzrohr für Schallmessungen in turbulenten Strömungen und zur Erhöhung der Richtwirkung, dadurch gekennzeichnet, daß in das Innere des Vorsatzrohres (2) ein zusätzliches Dämpfungsröhrchen (6) eingebracht ist, das mit Dämpfungsmaterial (7) gefüllt ist und etwa den halben Querschnitt des Vorsatzrohres (2) ausfüllt, wobei das Dämpfungsröhrchen (6) entweder an beiden Enden offen sein kann oder nur an der dem Mikrofon abgewandten Seite.